CC BY
42
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003 р. Вип. № 13
УДК 669.184.244.62
Сущенко A.B.1
О МЕХАНИЗМЕ ПЫЛЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ ПРОДУВКЕ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТОГО РАСПЛАВА В КИСЛОРОДНОМ КОНВЕРТЕРЕ
Проведен анализ различных механизмов образования высокодисперсной
конвертерной пыли. Показаны основные причины «дымообразования» и пути
уменьшения интенсивности пылевыделения при кислородно-конвертерной плавке.
Одним из главных недостатков кислородно-конвертерного процесса являются значительные потери металла в виде пыли с отходящими газами, которые по различным литературным данным составляют 10-^15 кг/т выплавляемой стали для LD-конвертеров.
Всю пыль, отобранную из горловины конвертера, в соответствии с [1] можно разделить на три группы: 1) относительно крупная пыль сыпучих шихтовых материалов неправильной формы; 2) частицы (брызги) металла и шлака от 5 мкм до 1 мм и 3) собственно высокодисперсная (1 мкм и менее) пыль, состоящая в основном из железа и его оксидов (преимущественно FeO), на долю которой приходится до 90 % всей уносимой газами пыли.
Следует отметить, что производство стали с применением кислорода является основным источником образования высокодисперсной металлургической пыли, которая в связи со своими малыми размерами трудно улавливается в системах газоочистки, плохо утилизируется и представляет серьезную опасность для здоровья человека (особенно учитывая наличие в ней возгонов Zn, Mn, РЬ и других металлов и их оксидов).
В соответствии с изложенным, вопросы изучения механизма пылеобразования (дымообразования) и разработки технических решений, направленных на снижение интенсивности выделения пыли, в первую очередь - высокодисперсной, при конвертерном производстве стали имеют важное народнохозяйственное значение как с экономической, так и с экологической точек зрения. В то же время, как показал анализ литературных источников, по указанным вопросам до сих пор имеются существенные противоречия и недоработки. В частности, остается неясным, что является главным в механизме образования высокодисперсной конвертерной пыли: а) механическое (пневматическое) диспергирование металла и шлака (струями дутья, обратным газовым потоком, выделяющимися пузырями СО и т.п.) [2 и др.], б) испарение компонентов расплава (и/или их оксидов), прежде всего железа, в высокотемпературной первичной реакционной зоне - ПРЗ (с последующей конденсацией паров за ее пределами) [3 и др.] или в) термическое диспергирование (дробление поверхностного слоя металла по границам находящихся в нем графитовых включений при резком нагреве в ПРЗ) [4] ?
Целью настоящей работы является уточнение механизма образования высокодисперсной пыли («бурого дыма») при продувке расплава в кислородном конвертере.
Вопросы пневматического диспергирования жидкостей относительно хорошо изучены. Так, например, в работе [1] на основе расчетов с использованием известного уравнения Нукиями-Тамасавы показано, что при диспергировании металла и шлака даже на самых высокоскоростных участках кислородных струй (при разности скоростей газового потока и капель жидкости Аw ~ 500 м/с) диаметр распыленных частиц составит не менее 10-^20 мкм, что больше фактического размера частиц пыли, по крайней мере, в 20-ю 0 раз. Получение же высокодисперсных частиц металла и шлака за счет механического дробления их в обратной струе или в потоке отходящих конвертерных газов является еще менее вероятным.
В соответствии с механизмом термического образования пыли [4] предполагается, что в зоне «горения» железа скорость роста термических напряжений в перегретом поверхностном
1 ПГТУ, канд. техн. наук., зав. отделом ПНИЛ.
слое расплавленного металла так велика, что последний ведет себя как квазитвердое хрупкое тело и дробится по границам содержащихся в нем графитовых включений, среднее расстояние между которыми составляет ~ 5 нм. Однако, учитывая малые размеры капель расплава в ПРЗ кислородного конвертера (средний диаметр - dK ~10~5-10~4 м [5 и др.]), можно утверждать, что они при нагреве ведут себя как «термически тонкие» тела (число Био составляет ~10~5-^10~3). Поэтому нельзя считать значительным перегрев поверхностного слоя капель относительно их остального объема.
Таким образом, наиболее вероятным механизмом образования высокодисперсной пыли при продувке Fe-C расплава в кислородном конвертере (из всех вышеперечисленных) является испарение железа и его оксидов в ПРЗ с последующей конденсацией их паров в потоке отходящих конвертерных газов.
Количество испарившихся в ПРЗ железа и/или его оксидов (в пересчете через Fe, г/кг Ог дутья) можно определить из закона Дальтона. Он был записан для газовой фазы квазистационарной ПРЗ при условии "тотального" окисления [5, 6 и др.] поверхности расплава (капель) в ней:
z _ 3499 56 .[%С] Рре+Ррю Ре'к к 1200 + 44 • [%С] i>2 - РРе - Рре0 '
где [% С] - содержание углерода в расплаве ванны;
к - коэффициент равный 1 при окислении углерода в ПРЗ до СО и равный 2 - при окислении до С02 (крайние случаи);
РРе, Pfco ~ парциальные давления Fe и FeO в газовой фазе ПРЗ, которые в соответствии с [3, 5] близки к равновесным упругостям паров Fe и FeO при температуре 7nP3 (последние определяли по данным [7, 8]);
Pz - общее давление газов в ПРЗ ( с учетом заглубления в ванну).
На практике при измерении запыленности отходящих конвертерных газов z' (г/м ) чаще используют параметр z'Pe (г 1<е м газов). который может быть выражен через zPe к следующим образом:
ZFe ~ ZFe,k/(2 ' ^ /Ро2 ) = ZFe,k Д1, 4 ' Ло2 ) , (2)
где rß2 - коэффициент расхода кислорода дутья на окисление углерода расплава в
конвертере (определяли по зависимостям [9]);
Pq2 - плотность кислорода при нормальных условиях.
Расчеты по зависимостям (1), (2) были выполнены для условий окончания первого ([% С]«3,0), когда скорость обезуглероживания расплава достигает значения, близкого к максимальному, и заключительного ([% С]~0.08) периодов продувки расплава кислородом в конвертере, с использованием известных данных по Тпрз, maxi2250 °С и 2450 °С - для донной продувки; 2300 °С и 2550 °С - для верхней). При этом для донной продувки величина z'Pe составила не более 7 и 3 г/м3 в конце первого и заключительного периодов соответственно, а для верхней - не более 15 и 11 г/м3.
По данным различных работ [1,5,13 и др.] динамика пылевыделения примерно соответствует скорости обезуглероживания; содержание пыли в отходящих конвертерных газах z' (без учета выноса сыпучих материалов) составляет в среднем ~ 80-150 г/м3 для верхней продувки (z' уменьшается от 150-200 г/м3 до ~ 20-50 г/м3 к концу продувки) и ~ 8-20 г/м3 - для донной.
Сравнивая результаты расчетов с экспериментальными данными, полученными в лабораторных и промышленных условиях (с учетом того, что содержание «чистого» Fe в конвертерной пыли составляет 60-70 % при донной продувке и 65-80 % - при верхней [1]), можно сделать следующие выводы. На заключительном этапе операции испарение Fe (и его оксидов) в ПРЗ является основным механизмом образования высокодисперсной пыли. В тоже время связать результаты замеров только с испарением в ПРЗ в области высокоуглеродистого расплава, особенно для LD-конвертеров, весьма сложно. Это указывает на наличие дополнительного механизма дымообразования (причем, основного) в области высоких
значений [%С]. Сказанное тем более вероятно, если учесть принятые допущения: а) о достижении равновесия процессов испарения Fe (и его оксидов) в ПРЗ, б) окисления углерода расплава до СО в этой зоне (к = 1), в) частичную фильтрацию пыли металлом и шлаком, г) принятые в расчетах близкие к максимальным значения 7пр3.
Следует отметить, что полученная величина давления насыщенных паров FeO Pfbo, н в рассматриваемых условиях на один-два порядка меньше Р^ я- Рассчитанное по зависимости [7] давление Р^ н имеет значения, близкие к данным работ [10, 11]. При использовании зависимостей [12], учитывающих содержание углерода в расплаве, величины РРег н и z'Pe увеличиваются в области высоких [% С] в 1,5-1,7 раза. Однако принципиального значения с точки зрения сделанного выше вывода это не имеет: даже в этом случае средние фактические значения z'Pe более чем в два раза превышают расчетные.
На наш взгляд, одним из основных механизмов образования высокодисперсной конвертерной пыли при продувке высокоуглеродистого расплава является «химическое диспергирование» капель в ПРЗ, вызванное развитием процесса подшлакового окисления углерода в них. Выделяющиеся при этом под высоким давлением газы (СО, СОг) приводят к локальным прорывам шлаковой оболочки с выбросом более мелких капелек или взрыву окисляющихся в ПРЗ капель расплава с образованием множества мелких частиц. На наличие подобного механизма пылеобразования указывалось и в других работах, например в [5,13].
В ряде экспериментальных исследований взаимодействия капель расплава с окислительным газом [14, 15 и др.] зафиксировано явление их подшлакового «кипения» с выбросов множества мелких капелек. Если принять в соответствии с [15], что отношение диаметров выбрасываемых и основной капель ~ 10~2, то с учетом среднего размера капель в ПРЗ (10~510~4м) получим, что размеры мелких капелек составляет 0,1-1 мкм. Размеры образующихся частичек при взрывах капель еще меньше [16 и др.]. Не исключена также возможность повторного «химического диспергирования» мелких капелек.
На высокую интенсивность развития указанных процессов косвенно указывает и морфология капель расплава, «вынесенных» из ПРЗ при продувке чугуна кислородом на «горячей» модели [17]. Все частицы имеют шлаковую оболочку, многие из них пустотелые и имеют дефекты поверхности от прорывов продуктов реакций обезуглероживания. Морфология высокодисперсной конвертерной пыли также обнаруживает наличие большого количества частиц в виде пустых сфер с прилегающими пористыми образованиями [18 и др.].
Уменьшение интенсивности пылеобразования за счет «химического диспергирования» к концу продувки связано со снижением содержания углерода в расплаве. Так, по данным [19] образование зародышей СО на границе раздела «металл-шлак» становится невозможным при [% С]<0,5-1,0. Это хорошо согласуется с экспериментальными данными по пылеобразованию в конвертерах.
Учитывая ограниченность объема настоящей статьи, было бы затруднительно проанализировать все известные способы снижения пылевыделения при окислительной продувке Fe-C расплава. Отметим только, что их можно разделить на два основных класса, направленные: 1) на уменьшение собственно интенсивности пылеобразования /п и 2) на усиление фильтрации отходящих запыленных газов металлом и шлаком. Факторы, влияющие на величину /п по обоим вышеуказанным механизмам (прежде всего это Тпрз и [% С]), во многом одинаковы, но степень их влияния на эти механизмы различна и изменяется по ходу продувки плавки.
Большинство известных способов снижения пылеобразования в конвертерах связано с охлаждением реакционной зоны (уменьшением величины Тпрз) [1]. Увеличение за счет соответствующей организации дутьевого режима плавки относительного расхода расплава, циркулирующего через ПРЗ - qnp3, в LD-конвертере всего на 1 кг/кг дутья (О2) позволяет при прочих равных условиях уменьшить (расчеты выполнены на основе методики [6]) Тпрз на -50-80 К и количество испарившегося в ПРЗ железа - в 1,3-1,7 раза. Такой способ, по нашему мнению, является более эффективным для снижения /п в ПРЗ по сравнению с организацией дополнительного ввода в эту зону воды, пара и др. охлаждающих добавок [1], ухудшающих тепловой баланс плавки. С позиций энергоресурсосбережения, введение охлаждающих добавок с дутьем в ПРЗ может быть оправдано лишь в том случае, когда эти добавки выполняют
специальные технологические функции: порошкообразная руда - для процессов жидкофазного восстановления, известь - для улучшения шлакообразования, инертный газ - для получения низкоуглеродистого малоокисленного металла в агрегатах АКР, ГКР и др. Вдувание конвертерной пыли в реакционную зону (рециклинг в процессе) является при этом и одним из наиболее эффективных способов ее утилизации.
В заключение отметим, что более низкие значения интенсивности пылевыделения при донной кислородной продувке (по сравнению с верхней) объясняют меньшей величинои Тпрз и большей фильтрацией пыли металлом и шлаком [20 и др.]. Последнее маловероятно, т.к. величина заглубления выходной части ПРЗ (относительно уровня ванны) при нижней и верхней продувке примерно одинакова, а толщина и вспениваемость шлака в ЬБ-конвертерах значительно выше. Кроме того, как справедливо отмечается в [5], степень фильтрации ванной высокодисперсной пыли отходящих конвертерных газов относительно невелика. Меньшие же значения ТПРЗ в донных конвертерах связывают в основном с влиянием защитного газа и большей поверхностью ПРЗ. Как следует из результатов расчетов, выполненных с использованием уравнения динамического теплового баланса ПРЗ, это объясняется, в первую очередь, большим значением величины дПРЗ при донной продувке.
Выводы
1. Предложена концепция механизма образования высокодисперсной конвертерной пыли, в соответствии с которой основными причинами пылеобразования являются: 1) испарение железа (и его оксидов) в ПРЗ с последующей конденсацией паров в потоке отходящих конвертерных газов и 2) «химическое диспергирование» капель расплава в ПРЗ; при этом на образование пыли по второму механизму, в отличие от первого, теплота фазового перехода в ПРЗ не затрачивается. Последнее необходимо учитывать при выполнении соответствующих расчетов.
2. По ходу продувки конвертерной плавки долевое участие вышеуказанных механизмов в пылеобразовании изменяется: по мере уменьшения содержания углерода в расплаве основная роль переходит от механизма «химического диспергирования» к «испарительному».
3. Одним из наиболее эффективных путей снижения интенсивности пылеобразования путем уменьшения ТПРЗ в конвертере является увеличение величины относительного расхода расплава, циркулирующего через ПРЗ, за счет соответствующей организации дутьевого режима плавки. Меньшие значения запыленности отходящих конвертерных газов при донной продувке по сравнению с верхней объясняются прежде всего большими значениями величины <;///,-.',.
4. Задачами дальнейших исследований по рассматриваемому вопросу являются: 1) разработка математических моделей процессов «химического диспергирования» капель расплава в ПРЗ и фильтрации образовавшейся пыли металлом и шлаком в конвертере; 2) проведение комплексных исследований влияния различных технологических факторов (интенсивности кислородной продувки, состава дутья, параметров расплава, дутьевого и шлакового режимов плавки и др.) на динамику пылеобразования и пылевыделения по ходу продувки в конвертерах различных типов.
Перечень ссылок
1. Шулъц Л. А. Элементы безотходной технологии в металлургии / Л. А. Шулъц. - М.: Металлургия, 1991. - 174 с.
2. Morris A.F. A new look at the cause of fuming / A.F. Morris, J.P. Riott, F.D. Iiiig II Ibid. - 1971. -№ 6(207).-P. 781-789.
3. Меджибожский М.Я. О влиянии содержания углерода в металле на интенсивность пылевыделения во время продувки сталеплавильной ванны кислородом / М.Я.
Меджибожский II Тепло- и массообмен в ваннах сталеплавильных агрегатов: Сб. научных трудов МИСиС № 120 . - М.: Металлургия, 1979. - С. 124-126.
4. Яеойский В.И. Обзор гипотез пылеобразования металла в конвертере / В.И. Яеойский, В.И. Славин II Сталь. - 1986. - № 10. - С. 15-18.
5. Баптизманский В.И. Конвертерные процессы производства стали. Теория, технология, конструкции агрегатов / В.И. Баптизманский, М.Я. Меджибожский, В.Б. Охотский. - К.: Вищашк., 1984.-343 с.
6. Капустин Е.А. О материальном и тепловом балансах первичной реакционной зоны кислородного конвертера / Е.А. Капустин, В.И. Ееченко, A.B. Сущенко II Изв. вузов. Черная металлургия. - 1988. - № 7. - С. 116-120.
7. Бурылев Б.П. Давление насыщенного пара жидкого железа / Б.П. Бурылев, Ю.В. Пожидаее, Е.И. Ташлыкое II Изв. вузов. Черная металлургия. - 1986. - № 10.-С. 11-15.
8. Бурцев В.Т. Упругость пара закиси железа / В. Т. Бурцев, P.A. Карасев, A.M. Самарин II Физико-химические основы производства стали. - М.: Наука, 1964. - С.73-78.
9. Kawasaki Steel Recent Progress of OBM / Q-BOP steelmaking at Kawasaki Steel Corporation / Nakanishi K., Nozaki Т., Uchimura R. e.a. II Kawasaki Steel Techn. Report. - 1980. - № 1. -P. 1-13.
10. Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов / A.E. Казачков. - M.: Металлургия, 1988. - 288 с.
11. Кубашевский О. Металлургическая термохимия. Пер. с англ. под ред. Шварцмана Л.А. / О Кубашевский, С.Б. Олкокк. - М.: Металлургия, 1982. - 391 с.
12. Яеойский В.И. Давление пара железа над жидким железом и расплавами железо-углерод / В.И. Яеойский, А.Г. Свяжин, А.Ф. Вишкарев и др. //Изв. АН СССР. Металлы. - 1971. - № 3. - С. 33-40.
13. Шиш Ю.И. Исследование динамики пылеобразования в кислородном конвертере / Ю.И. Шиш, А.Г. Чернятевич, Ю.А. Коржаеин и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. -1981. -№ 4.-С. 45-48.
14. Barker L.A. Reaction of an iron-carbon droplets during free fall through oxygen / L.A. Barker, R.G. Ward II Iron and Steel Inst. - 1967. - № 7. - P. 714-718.
15. Research in Metallurgy. Imperial College of Science and Technology, Printed by F.J. Milnez &Sons Ltd., Brentford and London, 1966. - 20 p.
16. Баптизманский В.И. Тепло- и массоперенос при взаимодействии частицы металла системы Fe-C с кислородом / В.И. Баптизманский, В.А. Федосеев, В.Б. Охотский и др. // Тепломассообмен: Сб. ин-та тепломассообмена АН БССР. Минск, 1976. - Т.2 -. С. 55-61.
17. Капустин Е.А. К вопросу о массообмене в первичной реакционной зоне / Е.А. Капустин, В.Е. Даеидсон, В.И. Ееченко II Тепло- и массообмен в ваннах сталеплавильных агрегатов: Сб. научн. трудов МИСиС. - М.: Металлургия, 1985. - С. 79-84.
18. Geck И.G. Dust recycling in the bottom blown converter / H.G. Geck, F. Höfer, P. Ratel e.a. // European Oxygen Steelmaking Congress. - Düsseldorf, 1993. - P. 185-188.
19. Казаков A.A. Совершенствование процессов выплавки стали на основе развития теории взаимодействия в системе Fe-C-O / A.A. Казаков // Вопросы теории и практики сталеплавильного производства: Сб. нучн. трудов. - М.: Металлургия, 1991. - С. 73-80.
20. Арсентьев П.П. Конвертерный процесс с донным дутьем /77.77. Арсентьев, М.П. Квитко. -М.: Металлургия, 1983. - 128с.
Статья поступила 15.11.2002.
